气体中静电电荷密度的测量,对雷电研究和预警以及一些化工或精密生产车间空气中静电监测具有重要意义。雷电的研究一般是通过大气电场仪探测雷暴云对地面产生电场强度的方式实现的；在化工或精密生产车间主要是利用静电仪实现对空气中静电的监测。大气电场仪无法测量气体中静电电荷密度,传统静电仪器也只能对电荷的存在做定性测量,无法对三维空间气体中存在电荷分布进行定量测量。本文设计了一种应用于气体中静电电荷密度测量的仪器,该仪器可以用于空气中电荷的定量测量,也可用于探空仪测量空气或雷暴云中电荷分布,或固定在高山或高塔上测量该区域气体电荷密度。气体电荷密度定量测量会出现气体中的静电以场的形式存在并相互影响的问题,因此定量测量其中一个区域中电荷分布时,需要隔离其它电荷的影响,设计了一个带有双面绝缘层的金属筒状屏蔽结构,将气体以一定速度吸入筒中,筒内壁分布多个电极,通过测量电极上的感应电势,利用高斯定理,计算出其中的电荷密度。在硬件实现上分为三部分：主控板、传感器驱动和数据采集板、四块信号接收调理板构成,其中每块信号接收调理板都有独立的用于测量静电势的振动电容传感器及调理、移相、检波等电路。主控板采用ARM9微处理器控制测量过程以及协调各电路工作。传感器驱动和数据采集板主要设计了处理主控板提供PWM信号的传感器驱动电路和模数转换器AD7689为核心的数据采集电路。通过配置多路复用器使驱动信号逐次激振四块信号接收调理板的传感器,AD7689完成4路信号的采集。信号接收调理板的振动电容传感器能有效的将静电势调制成交流信号,驱动信号经过相位滞后以及过零检波后输出的方波作为相敏检波的同步信号,利用相敏检波原理鉴别被测静电势的极性,通过滤波、调整和电平移位一系列信号处理方法,获得与被测静电势成比例的直流电压信号。系统软件主要设计了各个功能模块的驱动程序,并为系统移植了Linux实时操作系统,通过上层应用函数接口调用各驱动程序,同时为本系统设计了配套的上位机观测界面用以测量数据的存储和查询。